山东柴汶河下游古近系朱家沟组含水岩组水文地质特征及地下水富集模式

李 波，吴 璇，张翼飞，徐聪聪，刘春伟，关 琴，罗 斐

(1.山东省地质矿产勘查开发局 八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引 言

地下水资源对于山东省经济社会发展具有举足轻重的作用，特别是在缺水严重的鲁中南、鲁西低山丘陵地区，地下水资源的不足严重影响当地社会经济发展[1-4]。参考前期的山东水文地质工作成果，根据地质构造条件、含水岩组类型等因素，将山东划分为鲁西北平原松散岩类水文地质区，鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩类为主的水文地质区和鲁东低山丘陵松散岩、碎屑岩、变质岩类水文地质区[5-7]。梁永平等[8]将中国北方岩溶水系统划分为119个系统单元，并归纳为5种系统模式，从分布与发育规模、地下水循环与富集、地下水流场等方面进行了分析总结；潘晓东等[9]依据含水岩层产状、地下水流向关系等，将鲁中南岩溶区地下水系统划分为4个模式，并对水文地质结构特征、地下水资源开发与保护进行了探讨。前人对流域内岩溶水水文地质条件、系统模式、地下水环境等方面进行了详细研究[10-14]，但是对碎屑类孔隙裂隙水的研究较为薄弱，特别是富水性、蓄水构造模式、富水机理、地下水水化学特征等方面较为欠缺。

柴汶河作为大汶河的一条重要支流，从属于大汶河流域，处于鲁中南低山丘陵碳酸盐岩类为主的水文地质区。在柴汶河下游一带，区域地表出露大面积古近系朱家沟组地层；在传统水文地质填图成果中古近系碎屑岩含水岩组单井涌水量<100 m3/d，为弱富水含水岩组[15]，富水性划分单一，不具有供水意义。随着大汶河流域1∶5万水文地质调查工作的开展，对该区域机民井进行了调查、取样工作，并在泰安市磁窑镇国家庄村实施了一眼探采结合孔，孔深150.43 m，含水层为古近系朱家沟组与奥陶系马家沟群八陡组，其中朱家沟组含水层涌水量达到了1 251.6 m3/d，远超以往对该含水层富水性的认识。基于此，本文在前期调查的基础之上，系统分析了该区域古近系朱家沟组水文地质特征，探讨其地下水富集模式，为下一步古近纪地层找水定井和碎屑岩区富水性划分提供一定参考。

1 研究区地质概况

研究区位于山东省泰安市西南部，行政区划隶属泰安市，范围涉及岱岳区、肥城市和宁阳县。该区地处鲁西隆起区内的鲁中隆起内，包含了汶东凹陷、布山凸起、汶口凹陷、蒙山凸起等V级构造单元，其南、北分别为蒙山凸起、新甫山凸起，形成了“两凸夹一凹”的构造格局。新生代以来，鲁西隆起区受NW向断裂切割影响，形成了大汶口盆地、新汶盆地等拉张断陷盆地[16-18]。南留断裂、徂徕山断裂分别构成了大汶口盆地、新汶盆地北部边界，而南部蒙山凸起则构成了两个盆地的南部边界。两个盆地具有相似的构造格局，均沉积了一套巨厚含膏岩的山麓洪积相-河湖相碎屑岩地层；该套地层自下而上为古近系朱家沟组(E2z)、大汶口组(E2-3d)，缺失常路组[19-20]。本文研究的古近系朱家沟组地层主要出露于新汶盆地西侧的汶口凹陷南缘，呈条带状分布(图1)。

图1 研究区地质构造简图Fig.1 Geological sketch map of the study area showing the distributions of major structures

研究区处于泰安市南部，汶口、汶东盆地交界处，地势南高北低，属暖温带半湿润季风气候区。四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。多年(1956—2017年)平均降水量889.7 mm。区内主要河流为柴汶河、牟汶河，柴汶河由东向西穿过新汶盆地，在大汶口镇附近与牟汶河汇合，形成大汶河；受季节性降水及蒸发量影响，水系流量及水位变化大。

2 水文地质特征

2.1 岩性特征

古近系朱家沟组(E2z)是一套陆源碎屑沉积的厚层灰质砾岩，其下部为灰色-灰红色砾岩、砂砾岩与砖红色砂质泥岩、粉砂岩不等厚互层，上部为灰白-黄褐色砾岩、砂砾岩与灰黄色砂岩、细砂岩不等厚互层，以砂岩为主[21]。砾石成分以微晶灰岩为主，砾径5～20 cm，个别砾径>25 cm，磨圆度差，次棱角状。地层厚度变化较大，由南向北、由西向东厚度逐渐加深。

根据本次研究钻孔及机民井调查资料，国家庄村附近朱家沟组地层厚111.33 m，南梁父村附近厚1 008.42 m(华丰煤矿99-2号孔)。区域上在90 m以浅，朱家沟组砾岩裂隙岩溶发育，岩溶形态以裂隙、蜂窝状溶孔、溶洞为主，浅部溶洞多填充黄色黏土。在西磁窑村东侧，地表可见因朱家沟组地层岩溶发育形成的塌陷坑，呈长椭圆形，长度2～6 m、宽0.5～2.0 m(图2)。

图2 古近纪朱家沟组岩溶裂隙发育特征Fig.2 Photos showing the characteristics of karst fissure development in Paleogene Zhujiagou Formation(a)DWZK03钻孔岩心裂隙发育段；(b)岩心溶蚀面；(c)朱家沟组地层地面塌陷坑

2.2 富水性特征

朱家沟组含水岩组地下水类型为碎屑岩类孔隙裂隙水，含水层岩性单一，为钙质胶结灰质砾岩。本次调查工作发现，研究区内地下水主要赋存于90 m以浅的岩溶裂隙之中，其富水性主要受断裂构造、裂隙岩溶发育影响。依据本次所调查的机民井资料与钻孔资料(表1)可以发现，在研究区内朱家沟组含水岩组单井涌水量为100～300 m3/d，特别是在磁窑断裂以西至高村断裂一带，分析认为受断裂构造影响而形成局部断陷，裂隙岩溶较东部地区更为发育。

表1 研究区古近系朱家沟组水井信息统计

以本次施工钻孔DWZK03为例，处于磁窑断裂与高村断裂凹陷区，孔深150.43 m，含水层岩性为古近系朱家沟组灰质砾岩与奥陶系马家沟群八陡组微晶灰岩，其中在111.33 m揭穿朱家沟组，朱家沟组含水层涌水量达到1 251.6 m3/d，降深13.25 m，其富水性远超300 m3/d(图3)。与以往对朱家沟组地层富水性认识[15]相比，区内富水性相对较好，特别是磁窑断裂以西至高村断裂断块区域，可作为古近系地层应急找水靶区。

图3 DWZK03钻孔水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeological profile in drill-hole DWZK031.新太古代石英闪长岩；2.第四纪松散沉积物；3.奥陶纪灰岩；4.奥陶纪白云岩；5.寒武纪竹叶状灰岩；6.古近纪砾岩；7.松散岩类含水岩组，富水性100～300 m3/d；8.碳酸盐岩类含水岩组，富水性1 000～5 000 m3/d；9.岩浆岩变质岩类含水岩组，富水性50～300 m3/d；10.碎屑岩类含水岩组，富水性>300 m3/d；11.碎屑岩类含水岩组，富水性100～300 m3/d

2.3 水化学特征

2.3.1 样品采集与测试

为分析区内古近系朱家沟组含水层地下水化学特征及地下水补给来源，研究孔隙裂隙水与岩溶水的水力联系，结合区内水文地质条件、地下水补径排特征，对区内古近系朱家沟组及南部奥陶系马家沟群地下水进行取样分析，其中朱家沟组4件、马家沟群2件。样品经0.45 μm滤膜过滤后置于清洗过的聚乙烯瓶，阳离子样品经HNO3酸化至pH值<2后保存，阴离子样品原样低温保存。水化学分析在山东省地矿工程勘察院实验室完成。

2.3.2 水化学参数特征

依据水化学分析结果可以看出(表2)，研究区地下水pH值在7.5～7.9之间，为中性或偏碱性；阳离子以Ca2+为主，阴离子以SO42-为主；TDS为1 110～2 100 mg/L；孔隙裂隙水与岩溶水水化学特征基本一致。从水化学参数统计结果(表3)看出，地下水中阳离子Ca2+、Na+、Mg2+含量平均值依次为327.49 mg/L 、66.4 mg/L、37.87mg/L，其中Mg2+含量变化范围为21.75～54.93 mg/L，变异系数为33%，为阳离子中最大者。阴离子SO42-、 HCO3-、Cl-含量平均值依次为396.63 mg/L、232.21 mg/L、223.21 mg/L，其中NO3-含量变化范围为136.75～498.07 mg/L，变异系数为52%，为阴离子中最大者。HCO3-变化范围为177.77～315.12 mg/L，变异系数为20%，为众离子中最小者。Na+和Ca2+在空间分布上的变异性较大，其受水文气象、地形地貌、水文地质条件及人类活动等因素的影响较大；HCO3-的变异系数相对较小，说明其在研究区地下水中的含量比较稳定，受其他因素的影响较小。

表2 研究区地下水水化学分析结果

表3 水化学参数特征值统计

2.3.3 水化学成因分析

水化学三线图(图4)显示，朱家沟组与南部马家沟群碳酸盐岩地下水离子分布集中，结合上文水化学特征分析结果，两者水化学特征基本相一致，表明二者具有密切的水力联系。

图4 研究区地下水样品Piper图(单位：%)Fig.4 Piper diagram of groundwater samples from the study area (unit: %)

Gibbs图将天然水体的化学形成机制分为蒸发浓缩机制、岩石风化机制和降水作用机制三种，运用Gibbs图可以分析区内地下水化学组分影响机制[22-23]。由研究区地下水的Gibbs图(图5)可以看出，孔隙裂隙水及南部马家沟群岩溶水取样点集中分布于岩石风化型附近，并趋向于蒸发浓缩型。

图5 研究区地下水Gibbs图Fig.5 Gibbs maps of groundwater in the study area

利用离子关系曲线图分析地下水各离子浓度比例关系特征是研究地下水物质来源及演化趋势的有效手段[24]。Na+与Cl-的比值被称为地下水的成因系数，可以用来表征Na的富集程度，标志地下水中的盐分溶滤和积累强度[25]。由研究区地下水离子关系曲线图(图6(a))可以看出，区内地下水Na+/Cl-比值位于1∶1等量溶解线以下，说明地下水径流过程中除了岩盐溶解和蒸发浓缩作用之外，还存在其他因素影响，例如人类活动影响及其他离子交换作用。地下水中Ca2++Mg2+与HCO3-+SO42-毫克当量比接近1∶1，反映地下水中相关离子主要源于方解石、白云石和石膏的溶解[26]。由图6(b)可以看出，样点位于1∶1等量溶解线以上，可见Ca+、Mg2+离子主要来自方解石、石膏的溶解；而受工业园区污水排放影响，氯化物含量增多导致硫酸盐与碳酸盐岩含量相对偏小。

图6 研究区不同类型地下水离子关系Fig.6 Groundwater ionic ratios of different groundwater types in the study area

3 地下水富集模式分析

如上文所述，区内朱家沟组地层是一套具有“磨拉石建造”沉积特征的灰质砾岩，具有砾石颗粒大、磨圆度差、棱角明显等特征，钙质、泥质胶结；砾石主要源于汶东构造盆地南缘古生代碳酸盐岩地层，以微晶灰岩为主。该地层裂隙岩溶发育，与碳酸盐岩地层类似，具有相同的岩溶形态。

研究区域周边发育两条北东向断裂(磁窑断裂、高村断裂)，内部由东向西小规模断裂发育逐渐增多；多期构造活动造成灰质砾岩层裂隙发育，沿裂隙发育带更易受地下水溶蚀。断裂构造为地下水提供了导水通道，而在裂隙岩溶发育处则形成了良好的储水空间。

地下水主要补给来源为大气降水与河流侧渗补给；另外，据水化学特征可以看出，研究区域南侧岩溶水与孔隙裂隙水具有相似的水化学特征，表明南侧岩溶水顶托渗透补给也是该区域地下水的主要补给来源。受地势、构造发育等条件影响，区内地下水整体由东南向西北方向径流。人工开采、矿坑排水则是孔隙裂隙水的主要排泄方式。

依据上述分析，研究区古近系朱家沟组富水性主要受断裂构造影响，富水模式可以归为断裂型灰质砾岩岩溶裂隙蓄水构造模式，其地下水具有孔隙裂隙水与岩溶水混合的特性。

4 结 论

本文针对柴汶河上游附近朱家沟组地层，从富水性、地下水补径排条件、水化学特征与富水机理等方面进行分析，得到以下认识：

(1)区内古近系朱家沟组灰质砾岩层是一套近距离搬运的陆源沉积地层，含水层特征为钙质胶结灰质砾岩。地层沉积由南向北逐渐加深，区域上在90 m以浅裂隙岩溶发育，可见溶隙、溶孔、溶洞等形态。区内单井涌水量为100～300 m3/d，特别是在磁窑断裂以西、高村断裂以东凹陷区，单井涌水量>300 m3/d，水量丰富。

(2)依据地下水水化学特征分析可以看出，古近系朱家沟组孔隙裂隙水与南部碳酸盐岩类岩溶水具有相似的水化学特征，表明两者水力联系密切。水化学类型主要为SO4·Cl-Ca型与SO4-Ca型；地下水主要为岩石风化型，并趋于蒸发浓缩型；地下水中离子成分主要源于岩盐溶解，Ca+、Mg2+离子主要来自方解石、石膏溶解，并且人类污染活动提供了地下水中Cl-等外源补给。

(3)灰质砾岩区兼具地下水富集的三大要素，即补给来源、导水通道与储水空间；富水模式为断裂型灰质砾岩岩溶裂隙蓄水构造模式，其地下水类型兼具裂隙水与岩溶水特征。磁窑断裂与高村断裂之间凹陷区可作为本区域碎屑岩区应急找水靶区。